AN7003-IGBT驱动栅极电阻选择原则及应用

应用指南版本号：发布日期：作者：002007-11-12MarkusHermwille关键词：IGBT驱动器，栅极电阻，选择，设计，应用栅极电阻–选择原则与应用AN-70031/92007-11-12–Rev00©bySEMIKRON引言.......................................................................................................................................................................1IGBT开关特性......................................................................................................................................................2续流二极管的开关特性..........................................................................................................................................4驱动输出级............................................................................................................................................................4栅极电阻的计算.....................................................................................................................................................5最小栅极阻抗–最大栅极峰值电流......................................................................................................................5功率耗散................................................................................................................................................................6峰值功率能力........................................................................................................................................................6电阻类型................................................................................................................................................................7设计和布局............................................................................................................................................................7疑难解答................................................................................................................................................................8符号和术语............................................................................................................................................................8参考文献................................................................................................................................................................9本应用指南提供有关使用栅极电阻（RG）控制IGBT开关的信息。所提供的信息仅包括提示并不包含完整的设计规则。信息并不全面，设计是否合适取决于用户自己。引言引言引言引言功率半导体的开关特性受栅极电容的再充电控制。栅极电容的再充电可以通过栅极电阻控制。IGBT的动态性能可通过栅极电阻值来调整。通过使用典型的+15V控制电压（VG(on)）控制IGBT导通，典型的负输出电压-5…-8…-15V控制IGBT关断。栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏置安全运行区域（RBSOA）、短路电流安全运行区域（SCSOA）、EMI、dv/dt、di/dt和续流二极管的反向恢复电流。栅极电阻必须按照各个应用参数仔细选择和优化，如：IGBT技术、二极管、开关频率、损耗、应用布局、电感/杂散电感、直流环节电压和驱动能力。应用的完整设计必须作为一个整体来看，并要适当考虑到上面所提到的参数。整个应用中各参数间的相互影响必须被评估和调和。受阻抗控制受阻抗控制受阻抗控制受阻抗控制应用指南应用指南应用指南应用指南AN-70032/92007-11-12–Rev00©bySEMIKRONIGBT开关特性开关特性开关特性开关特性每个IGBT开关特性的设定可受外部电阻RG的影响。由于IGBT的输入电容在开关期间是变化的，必须被充放电，栅极电阻由通过限制导通和关断期间栅极电流（IG）脉冲的幅值需要多长时间来决定。导通栅极电流导通栅极电流导通栅极电流导通栅极电流关闭栅极电流关闭栅极电流关闭栅极电流关闭栅极电流RG(off)VG-IG由于栅极峰值电流的增加，导通和关断的时间将会缩短且开关损耗也将会减少。减小RG(on)和RG(off)的阻值会影响栅极峰值电流。下列图表显示开关损耗和开关时间依赖于选定的栅极电阻值。导通导通导通导通/关断关断关断关断能量能量能量能量=f(RG)(以以以以SKM200GB128D为例为例为例为例)开关时间开关时间开关时间开关时间vs.电阻率电阻率电阻率电阻率(以以以以SKM200GB128D为例为例为例为例)当减小栅极电阻的阻值时，需要考虑的是当大电流被过快地切换时所产生的di/dt。这是由于电路中存在杂散电感，，它在IGBT上产生高的电压尖峰，该电涌电压可由下式估计。电压尖峰计算公式电压尖峰计算公式电压尖峰计算公式电压尖峰计算公式dtdiLVstray×=σ这一影响可在IGBT关断时的波形图上观察到。图中的阴影部分显示了关断损耗的相对值。集电极-发射极电压上的瞬间电压尖峰可能会损坏IGBT，特别是在短路关断操作的情况下，因为di/dt比较大。正如下图所示，可通过增加栅极电阻的值来减小Vstray。因此，消除了由于过电压而带来的IGBT被损毁的风险。应用指南应用指南应用指南应用指南AN-70033/92007-11-12–Rev00©bySEMIKRONIGBT导通导通导通导通IGBT关断关断关断关断根据半桥配置中上臂IGBT（上部）和下管IGBT（下部）间的互锁/死区时间，栅极电阻对延迟时间的影响要加以考虑。大的RG(off)增加IGBT的下降时间，这就是为什么实际的死区时间可能超过最小死区时间，这会带来更多的直通趋势。快速的导通和关断会分别带来较高的dv/dt和di/dt，因此会产生更多的电磁辐射（EMI），从而可能在应用中引起电路故障。下表显示不同的栅极电阻值对di/dt的影响。diC/dt@导通导通导通导通diC/dt@关断关断关断关断tICdiC/dt下表概况了栅极电阻值的改变所带来的IGBT开关特性的变化。变化率变化率变化率变化率/特性特性特性特性RG



RGton
toff
Eon
Eoff
导通峰值电流
关断尖峰电流二极管
dv/dt
di/dt
电压尖峰
EMI噪声
应用指南应用指南应用指南应用指南AN-70034/92007-11-12–Rev00©bySEMIKRON续流二极管的续流二极管的续流二极管的续流二极管的开关特性开关特性开关特性开关特性续流二极管的开关特性也受栅极电阻的影响，并限制栅极阻抗的最小值。这意味着IGBT的导通开关速度只能提高到一个与所用续流二极管反向恢复特性相兼容的水平。栅极电阻的减小不仅增大了IGBT的过电压应力，而且由于diC/dt的增大，也增大了续流二极管的过压极限。下图给出了续流二极管反向恢复电流IRRM对diF/dt的典型依赖关系。diF/dt由给定的IGBT栅极电阻RG(on)决定。反向恢复电流随换流速度diF/dt增大。IRRM的增大也会造成较高的续流二极管关断功率损耗。二极管反向恢复峰值电流二极管反向恢复峰值电流二极管反向恢复峰值电流二极管反向恢复峰值电流vs.di/dt以及以及以及以及RG（（（（以以以以SKM200GB128D为例为例为例为例））））和软恢复和软恢复和软恢复和软恢复功能功能功能功能在IGBT模块中，赛米控使用特殊设计优化的带软恢复功能的CAL（轴向寿命可控）二极管。这使得反向峰值电流小，从而桥路中IGBT的导通电流小。驱动输出驱动输出驱动输出驱动输出级级级级栅极驱动电路的驱动器输出级是一种典型的设计，采用了两个按图腾柱形式配置的MOSFET。两个MOSFET的栅极由相同的信号驱动。当信号为高电平时，N通道MOSFET开启，当信号为低电平时，P通道MOSFET导通，从而产生一个两个晶体管的推挽输出配置。MOSFET的输出级可有一路或两路输出。下表显示了用于对称或不对称栅极控制的不同解决方案。连接连接连接连接RG(on),RG(off)输出级有两路输出，适用于简便的非对称栅极控制。这使得栅极电阻可分解为两个电阻RG(on)和RG(off)，分别用于导通和关断。这种方式下，可以限制驱动器MOSFET开关期间产生的不可避免的从VG+到VG-的交叉电流。然而，主要的优势在于本方案提供了对于导通过流、关断过压尖峰和短路特性进行单独优化导通和关断的可能性。赛米控的驱动器解决方案，如SKYPER®32R或SKYPER®32PROR提供两路输出，用于简便的非对称控制。赛米控驱动方案的数据表可从的驱动电子产品页获得。应用指南应用指南应用指南应用指南AN-70035/92007-11-12–Rev00©bySEMIKRON如果只有一路输出用于栅极电阻，仍旧可以使用非对称控制。为了分别调整导通和关断特性，可以将电阻RG2和一个二极管串联起来并联在栅极电阻RG1上。增大RG1将延长IGBT的关断时间。关断期间所感应的峰值过压将会减小。增大RG2将延长IGBT的导通时间。续流二极管的反向峰值电流将会减小。当MOSFET被开关时